張春玲，唐 蕾，錢 鈞，孫 騫，宋 峰

（1.南開大學物理科學學院，天津300071；2.武警后勤學院數理教研室，天津300162）

1 引 言

2011年天津市中學生物理奧賽10月在南開大學舉辦.競賽分為理論考試和實驗考試兩部分.實驗考試部分要求考生在3h內完成1個力熱實驗、1個電磁實驗和1個光學實驗.由于熱學是物理學的一個重要分支，而目前中學物理中的熱學內容相對較少，因此我們希望通過設立熱學競賽題目以考促學[1]，促進中學物理教學重視熱學，最終力熱實驗考試題目定為用混合量熱法測定冰的熔解熱.實驗題目設計得比較簡單，要求用混合量熱法測定冰的熔解熱，做出T－t圖（溫度－時間圖）.筆者參加了實驗考試的命題和監(jiān)考，在監(jiān)考期間發(fā)現(xiàn)了一些中學生出現(xiàn)較多的問題，而這些問題也頻繁出現(xiàn)在大學本科生的物理實驗過程中.因此，本文列舉了其中較為普遍的一些問題，希望借助仔細分析這些問題，找出促進學生學習和教師教學的方法，對中學和大學的物理實驗教學改革有幫助.

2 問 題

競賽中學生出現(xiàn)較多的問題主要可歸為以下幾類.

2.1 不能在理解的基礎上應用物理概念

物質從固相轉變?yōu)橐合嗟南嘧冞^程稱為熔解.1kg物質的某種晶體熔解成為同溫度的液體所吸收的能量，叫做該晶體的熔解潛熱，簡稱熔解熱或熔化熱，單位J·kg－1.有多種方法可用來測定冰的熔解熱[2]，其中混合量熱法測定冰的熔解熱是常用的熱學實驗.實驗中使用量熱器使實驗系統(tǒng)成為孤立系統(tǒng)（即系統(tǒng)與外界沒有熱量交換），量熱器的結構見圖1.

圖1 量熱器結構示意圖

若忽略溫度計浸入水中部分的熱容，則根據混合量熱法可得冰的熔解熱為

其中m1和m2是量熱器內筒和攪拌器的質量，m0和T2是內筒中所加水的質量和初溫，M和T1為投入冰塊的質量和初溫，T0為冰的熔點，T3為冰完全熔化為水時系統(tǒng)的平衡溫度，c0和c3是水和冰的比熱容，c1和c2是內筒和攪拌器的比熱容.

很多教材和文獻對此實驗的基本原理、儀器和實驗步驟都有詳細說明[3－4].因為不容易用電子溫度計準確測定冰塊的初溫，因此競賽中為學生提供的是冰水混合物，這樣競賽中實際使用的公式變?yōu)?/p>

但是學生往往不能充分理解冰的熔解熱的概念，從而影響了他們的實驗過程.首先，未充分理解冰的熔解熱的概念，最突出的表現(xiàn)是對于冰的初溫的確定上.雖然學生都知道冰水混合物的溫度是0℃，但是有的學生還要重復地問教師冰的初溫是多少.

其次，在實驗中應該向量熱器內筒的溫水中投放冰塊，通過測量系統(tǒng)質量和溫度的變化計算出所投放冰塊的質量和冰的熔解熱.標準的操作應該是從冰水混合物中取出冰塊，用干拭布擦干冰塊表面的水后投入量熱器內筒中的溫水里.但是，在競賽中70%左右的學生直接將冰水混合物倒進溫水中，20%左右的學生用手將冰塊從冰水混合物中撈出來后投進溫水中.這2種錯誤都會導致放入內筒中的不是冰，而是冰水混合物，究其原因都是由于對冰的熔解熱的概念理解不準確造成的.

在物理學習中，準確理解物理概念是根本，在準確理解物理概念之后才可能消化吸收物理學知識，進一步進行相關計算和實驗研究.因此，在物理實驗教學中，應該首先讓學生認識到準確理解物理概念、原理的重要性.

2.2 不注意儀器的使用條件

在利用儀器進行測量時，先要對儀器的規(guī)格型號進行了解.如果待測量與儀器的測量范圍相差較大會影響測量的準確性，甚至會損壞測量儀器.例如使用電流表和溫度計進行測量時，都要先估計測量值的大小，如果不能進行估計，就要先選用大量程的儀器進行粗測，然后根據粗測結果選用量程合適的儀器進行精確測量.在本次競賽中提供的電子天平的稱量范圍是600g，量熱器內筒是130g左右，攪拌器20g左右，如果按照實驗要求向內筒中加入內筒高度的水，水的質量應該是120～180g左右.實驗中標準操作是將內筒連同里面的攪拌器、水和冰塊放在天平上進行稱量.但是有的學生根本不看電子天平的稱量范圍，連同外筒和絕熱蓋子一起放到天平上稱量，總質量很容易超過600g，既不符合操作步驟，還會損傷電子天平的傳感器.有的學生不但將整套量熱器放在天平上稱量質量，甚至還在天平上進行實驗，一邊用攪拌器進行攪拌，一邊用溫度計進行溫度測量.如果總質量超過天平量程，天平發(fā)出“嘟，嘟……”的報錯聲，有的學生能夠注意到稱量范圍，改正測量方法，但是有的學生只通過減少內筒中的水量讓天平停止報錯，不考慮過少的水量對實驗結果的影響.

2.3 不能合理分配時間

物理競賽實驗考試部分每場考試的時間為60min.因為學生們都有一本專門的實驗指導手冊，里面的內容在競賽前應該都看過，而且有的學校對競賽非常重視，還專門請教師對學生的實驗進行了指導，所以雖然競賽時間比較緊張，但是如果時間安排合理應該能夠完成實驗要求的內容.但是，部分學生在競賽中時間安排得不夠理想.在不清楚物理原理、不了解儀器使用條件的情況下就匆忙上陣，開考的前30min手忙腳亂、錯誤百出，最后卻剩下10min無所事事.

2.4 不喜歡動腦分析細節(jié)問題

量熱器內筒和攪拌器都由黃銅制成，因為黃銅導熱性能優(yōu)秀，因此量熱器內筒和攪拌器各個部分的溫度都與內筒中水的溫度基本相同，實驗中通過測定水溫即可基本確定量熱器內筒和攪拌器的溫度.但是學生在實驗中一般都不考慮量熱器的材質問題.一方面，學生不清楚為什么要用導熱性好的材質作量熱器，另一方面，學生不考慮量熱器的材質對實驗操作步驟的影響.實驗中內筒中應加內筒高度的溫水，水溫應該比室溫高10～15℃.我們?yōu)閷W生準備了開水和自來水.在配溫水時，應該先向內筒中加適量涼水再加熱水，但是有的學生不加考慮就向量熱器內筒加大量的開水，由于量熱器內筒導熱性很好，熱量傳導使量熱器迅速升溫，導致無法用手拿住量熱器內筒.

綜上所述，中學生在冰的熔解熱競賽中和大學生在日常的實驗課上出現(xiàn)了多種錯誤.這一方面是由于學生對實驗和競賽的重視程度不同、掌握基本實驗技能技巧的能力不同，另一方面也反映出我們在物理實驗教學中存在的問題.我們在實驗教學中，通常希望學生能夠“又好又快”地完成實驗，實驗開始時教師先對實驗內容進行講解，然后介紹儀器設備的使用方法，有時甚至從頭到尾做一遍示范操作.這會造成學生課前不充分預習也能順利完成實驗內容，在遇到問題后不善于動腦筋也能找教師解答，在看似幫助學生的情況下影響了學生發(fā)揮主動性和提高實驗動手能力.

3 結束語

物理實驗是物理學的基礎，實驗教學改革應以教法改革為突破口.應通過改革教法使學生不只是知道怎樣做好具體的實驗，而是要使學生在面臨物理問題時，知道應該從哪些角度出發(fā)去處理問題，應該抓住哪些關鍵點，啟發(fā)學生自己去思考細節(jié)問題.就像在文獻[5]中指出的，教學改革要將重點放在“引導學生思考、觀察、分析和判斷，總之是引導學生自己去解決問題”.

[1] 趙升頻.淺議實驗教學競賽對提高實驗教學質量的作用[J].大學物理實驗，2007，20（1）：91－93.

[2] 陳光偉，文景，楊國彗.電熱法測定冰的熔化熱實驗儀的研制[J].物理實驗，2007，27（3）：21－22.

[3] 楊述武，馬葭生，賈玉民，等.普通物理實驗（一、力學及熱學部分）[M].北京：高等教育出版社，2000：237－239.

[4] 劉子臣.大學基礎物理實驗（力學熱學及分子物理分冊）[M].2版.天津：南開大學出版社，2005：154－158.

[5] 楊述武.漫談物理實驗教學的改革[J].物理實驗，2002，22（3）：3－5.

[6] 廖慧敏，荀坤，陳曉林.第12屆亞洲物理奧林匹克競賽實驗題介紹與解答[J].物理實驗，2011，31（10）：16－25.